99739

Динамика КШМ

Лекция

Физика

При работе двигателя в КШМ действуют следующие основные силовые факторы: силы давления газов, силы инерции движущихся масс механизма, силы трения и момент полезного сопротивления. При динамическом анализе КШМ силами трения обычно пренебрегают.

Русский

2016-10-10

240.5 KB

0 чел.

Лекция № 2. «Динамика КШМ».

  1. Силы давления газов

  1. Силы инерции движущихся масс КШМ

  1. Суммарные силы и моменты, действующие в КШМ

При работе двигателя в КШМ действуют следующие основные силовые факторы: силы давления газов, силы инерции движущихся масс механизма, силы трения и момент полезного сопротивления. При динамическом анализе КШМ силами трения обычно пренебрегают.

2.1. Силы давления газов

Сила давления газов возникает в результате осуществления в цилиндрах рабочего цикла. Эта сила действует на поршень, и ее значение определяется как произведение перепада давления на поршне на его площадь:Pг= (pг -p0)Fп. Здесьрг — давление в цилиндре двигателя над поршнем; р0 — давление в картере;Fп  — площадь поршня.

Для оценки динамической нагруженности элементов КШМ важное значение имеет зависимость силыРг от времени. Ее обычно получают перестроением индикаторной диаграммы из координат рV в координаты рφ посредством определенияVφ=xφFп с

использованием зависимости (хφ=r[(1-cosφ)+(1/λ)(1- совβ)]) или графических методов(рис. 2.1.).

Сила давления газов, действующая на поршень, нагружает подвижные элементы КШМ, передается на коренные опоры картера и уравновешивается внутри двигателя за счет упругой деформации элементов, формирующих внутрицилиндровое пространство, силамиРг иРг', действующими на головку цилиндра и на поршень, как этопоказано нарис. 2.2. Эти силы не передаются на опоры двигателя и не вызывают его неуравновешенности.

2.2. Силы инерции движущихся масс кшм

Реальный КШМ представляет собой систему с распределенными параметрами, элементы которой движутся неравномерно, что вызывает появление инерционных сил.

Детальный анализ динамики такой системы принципиально возможен, однако сопряжен с большим объемом вычислений.

В связи с этим в инженерной практике для анализа динамики КШМ широко используют динамически эквивалентные ему системы с сосредоточенными параметрами, синтезируемые на основе метода замещающих масс(рис. 2.3). Критерием эквивалентности является равенство в любой фазе рабочего цикла совокупных кинетических энергий эквивалентной модели и замещаемого ею механизма. Методика синтеза модели, эквивалентной КШМ, базируется на замене его элементов системой масс, связанных между собой невесомыми абсолютно жесткими связями.

  • Детали поршневой группы совершают прямолинейное возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра и при анализе ее инерционных свойств могут быть замещены равной им массойmп, сосредоточенной в центре масс, положение которого практически совпадает с осью поршневого пальца. Кинематика этой точки описывается законами движения поршня, вследствие чего сила инерции поршняPjп= -mпj, гдеj— ускорение центра масс, равное ускорению поршня.
  • Кривошип коленчатого вала совершает равномерное вращательное движение. Конструктивно он состоит из совокупности двух половин коренных шеек, двух щек и шатунной шейки. Инерционные свойства кривошипа описываются суммой центробежных сил элементов, центры масс которых не лежат на оси его вращения (щеки и шатунная шейка):Кк=Кrш.ш+ 2Кrщ=mш.шrω2+ 2mщρщω2, гдеКrш.ш,Кrщ иr,ρщ — центробежные силы и расстояния от оси вращения до центров масс соответственно шатунной шейки и щеки,mш.ш иmщ — массы соответственно шатунной шейки и щеки. При синтезе эквивалентной модели кривошип заменяют массойmк, находящейся на расстоянии г от оси вращения кривошипа. Величинуmк, определяют из условия равенства создаваемой ею центробежной силы сумме центробежных сил масс элементов кривошипа, откуда после преобразований получимmк=mш.ш+ 2mщρш/r.
  • Элементы шатунной группы совершают сложное плоскопараллельное движение, которое может быть представлено как совокупность поступательного движения с кинематическими параметрами центра масс и вращательного движения вокруг оси, проходящей через центр масс перпендикулярно плоскости качания шатуна. В связи с этим ее инерционные свойства описываются двумя параметрами — инерционными силой и моментом. Любая система масс по своим инерционным параметрам будет эквивалентна шатунной группе в случае равенства их инерционных сил и инерционных моментов. Простейшая из них, показанная на рис. 1.10, состоит из двух масс, одна из которыхmш.п=mшlш.к/lш сосредоточена на оси поршневого пальца, а другаяmш.к=mшlш.п/lш — в центре шатунной шейки коленчатого вала. Здесьlш.п иlш.к — расстояния от точек размещения масс до центра масс. В этом случае для обеспечения эквивалентности инерционных свойств необходимо, чтобы соблюдались следующие условия:
    1. сумма масс эквивалентной системы должна быть равна массе группы шатуна:mш.п+m ш.к=mш;
    2. положение центра масс эквивалентной системы должно совпадать с центром масс шатунной группы. Выполнение этого условия при равенстве длин эквивалентной системы и шатуна гарантирует тождественность их кинематики;
    3. сумма моментов инерции масс эквивалентной моделиJэкв должна быть равна моменту инерции реального шатунаJш относительно оси, проходящей через центр масс перпендикулярно плоскости качания. Первых два условия в данном случае выполняются, так какmш.п+mш.к=mшlш.к/lш+mшlш.п/lш=mш и сумма статических моментов масс эквивалентной

системы относительно точкиО, соответствующей центру масс шатунной группы,mш.пlш.п -mш.кlш.к=mш(lш.к/lш)lш.п-mш(lш.п/lш)lш.к) = 0.

Третье условие для шатунов существующих ДВС обычно не выполняется. Принципиально это несоответствие может быть скомпенсировано добавлением к системе инерционного момента ΔMш= (Jm -Jэкв)ε, где ε — угловое ускорение шатуна. На практике данной добавкой пренебрегают виду незначительной ее величины.

Таким образом, эквивалентная система, замещающая КШМ, представляет собой систему двух жестко связанных между собой масс:

  • массу, сосредоточенную на оси пальца и совершающую возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра с кинематическими параметрами поршня,mj =mп+mш.п;
  • массу, расположенную на оси шатунной шейки и совершающую вращательное движение вокруг оси коленчатого вала,mr =mк+mш.к (дляV-образных ДВС с двумя шатунами, расположенными на одной шатунной шейке коленчатого вала,mr =mк+ 2mш.к.

В соответствии с принятой моделью КШМ массаmj, вызывает силу инерцииPj= -mjj, а массаmr, создает центробежную силу инерцииКr = -аш.щmr =mrω2.

Статистические данные по рассмотренным параметрам КШМ современных автотракторных двигателей представлены втабл. 2.1 в виде конструктивных массm' =m/Fп, гдеFп — площадь поршня;m — масса соответствующего элемента КШМ.

Таблица 2.1

Тип двигателя

Частота вращения, мин-1

Конструктивная массаm,

кг/м2

Отношениеlш.к/lш

поршневой группы

шатуна

линейные

V-образные

Двигатели с искровым зажиганием

n<4500

n>4500

(1,08...1,2)D*

(1,2...1,25)D

(1,35...1,45)D

(l,7...2,0)D

0,26...0,28

0,26...0.28

0,28...0.30

0,28…0,30

Дизели автомобильные

n<3000

n>3000

(1,8...2,0)D

(1,5...1,7)D

(2,1...2,25)D

(1,6...1,9)D

0,26...0,30

0,22..0,23

0,30...0,34

0,22...0,23

Дизели тракторные

-

(2,0...2,2)D

(2,3...2,5)D

0,26...0,30

0,30...0,34

*D - диаметр цилиндра, мм.

Сила инерцииPj уравновешивается реакциями опор, на которые установлен двигатель. Будучи переменной по величине и направлению,

она, если не предусмотреть специальных мероприятий по ее уравновешиванию, может быть причиной внешней неуравновешенности двигателя, как это показано нарис. 2.4, а.

При анализе динамики ДВС и особенно его уравновешенности с учетом полученной ранее зависимости ускоренияj от угла поворота кривошипаφ силу инерцииРj, удобно представлять в виде суммы двух гармонических функций, которые отличаются амплитудой и скоростью изменения аргумента и называются силами инерции первого (РjI) и второго (РjII) порядка:

гдеС=-mjrω2.

Центробежная сила инерцииKr=mrrω2 вращающихся масс КШМ представляет собой постоянный по величине вектор, направленный от центра вращения по радиусу кривошипа. СилаКr, передается на опоры двигателя, вызывая переменные по величине реакции(рис. 2.4, б). Таким образом, силаКr, как и силаРj, может являться причиной неуравновешенности ДВС.

2.3. Суммарные силы и моменты,

действующие в КШМ

При динамическом анализе КШМ силыРГ иPj, имеющие общую точку приложения к системе и единую линию действия, заменяют суммарной силой, являющейся их алгебраической суммой:РΣГj,(рис. 2.5).

Для анализа действия силыРГна элементы КШМ ее раскладывают на две составляющие:S иN. СилаS действует вдоль оси шатуна и вызывает повторно-переменное сжатие — растяжение его элементов, а силаN перпендикулярна оси цилиндра и прижимает поршень к его зеркалу.

Действие силыS на сопряжение шатун — кривошип можно оценить, перенеся ее вдоль оси шатуна в точку их шарнирного сочленения (S), где она раскладывается на нормальную силуК, направленную по оси кривошипа, и тангенциальную силуТ.

СилыК иТ передаются на коренные опоры двигателя. Для анализа характера нагружения коренных опор двигателя силаК переносится по линии ее действия в центр коренной опоры (К’); сюда же добавляются равные по модулю силе Т и имеющие параллельные с ней линии действия силыT иТ’’ (см. рис. 1.12, а). Пара силT иT на плечеr создает крутящий момент МКР, который далее передается на нагрузку, где совершает полезную работу. Сумма силК' иТ" дает силуS", проекциями которой на ось цилиндра и ортогональное ей направление являются силыN' иPΣ. Очевидно, чтоN= -N' иPΣ=PΣ. СилыNиN' на плечеh создают опрокидывающий моментMопр=Nh, который далее передается на опоры двигателя и уравновешивается их реакциями. МоментМопр и вызываемые им реакции опор изменяются по времени и могут быть причиной неуравновешенности двигателя.

Соотношения между силовыми факторами, нагружающими элементы КШМ, с учетом его геометрии и характера действия сил:

N = PΣtg β, S = PΣ(l/cosβ),

Особо следует отметить соотношение между крутящим и опрокидывающим моментами:


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

61788. Твір-опис “Якими фарбами я намалюю щастя” 11.82 KB
  Хто зображений на малюнку що робить як це його характеризує; які предмети речі зображено якими кольорами як вони допомагають розкрити творчий задум; уявіть що ви на місці художника як би ви зобразили цю тему що саме ви хотіли сказати своїм малюнком чи вдалося вам це зробити...
61789. Предмет астрономії. Ії розвиток та значення в житті суспільства. Методи та засоби астрономічних спостережень 304.71 KB
  Світоглядна роль усвідомлення людьми положення Землі у Всесвіті пізнання законів за якими рухаються та розвиваються космічні об’єкти. Збагачує важливими даними інші науки фізику хімію проводить дослідження речовин у станах яких неможливо досягти на Землі.
61790. Країни, національності та мови 18.44 KB
  Today we’ll imagine we are going to travel to different countries. Just imagine because in your age you can’t travel without your parents, but on the English lesson we can do it.
61791. Travelling around Кiev (екскурсія по києву) 23.81 KB
  What is your name? How old are you? Where do you live? What street do you live in? How many lessons do you have today? What is your favorite subject? Do you like to go to school? Why?
61792. Конспект уроку з гімнастики 30.14 KB
  1. Шикування 2. Повідомлення завдань уроку і техніки безпеки 3. Перешикування для виконання вправ 4. Різновиди ходьби: на на зовнішній стороні стопи на пальцях...
61793. Рухливі ігри 38.62 KB
  Основна стійка на раздва: руки дугами назовні підняти вгору. Піднятися на носки і підтягнутися вдихнути; на тричотири: руки дугами назовні опустити видихнути. стійка ноги нарізно руки на поясі на раз...
61794. Гімнастика (акробатика) 27.06 KB
  Розмикання на витягнуті руки. Стійка ноги нарізно руки за голову 12 підняти руки в гору підвестись на носки вдих; 34 опустити руки у в. стійка ноги нарізно руки на поясі 1 поворот тулуба праворуч руки в сторони долонями вгору...
61795. Символіка. Що це таке? 28.92 KB
  Мета: поглибити знання про символи; познайомити із різноманітністю символіки у нашому житті; поширити і збагатити знання учнів про народні символи України; виховувати повагу до символіки Батьківщини...
61796. Вік. Цифри. День народження 25.98 KB
  Мета: засвоєння нової лексики; формування вміння ставити запитання типу How old re you How old is she та відповідати на них; розширення кругозору учнів; розвиток мовної здогадки та мовленнєвої реакції учнів...